《Advances in Water Resources》：Gradual modifiers for storage-conserving truncated porous media models: Accuracy and efficiency in CCS flow simulation
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地质碳封存（CCS）中边界条件准确表征对Area of Review（AoR）预测至关重要。传统方法因未正确模拟孔隙体积和采用均匀渗透率调整导致AoR高估，本研究提出渐变调整法，通过保持总孔隙体积不变并实现边层渗透率平滑过渡，显著降低计算量（效率提升94%-18倍），同时减少AoR误差达21%（以100psi临界压力为例），兼顾计算效率与模型准确性，满足不同项目阶段及多国监管要求。
Romal Ramadhan|Seyyed A. Hosseini
德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院地球与行星科学系，美国德克萨斯州奥斯汀市78712
摘要
在地质碳储存建模中，准确的边界条件表示对于可靠地预测评估区域（AoR）至关重要。传统方法往往高估了AoR，因为它们无法正确捕捉孔隙体积，并依赖于均匀的渗透率调整，这会抑制模拟的压力空间。为了解决这个问题，我们开发了一种渐进式调整方法，该方法能够保持总的地层孔隙体积，并在边界单元之间实现平滑的渗透率过渡。该方法在简单的均质模型、非均质模型和全尺寸储层模型中通过全域参考模拟进行了验证。在均质储层中，该方法在减少运行时间超过94%的同时，再现了AoR，计算效率提高了多达18倍。在非均质模型中，与传统方法相比，它减少了AoR的过高估计，同时保持了效率。在一个全尺寸的海湾海岸中新世案例中，相对于传统做法，该方法在100-psi的临界压力阈值下将AoR降低了21%。这种减少意味着更小的监管审查区域和整体更低的项目成本。因此，渐进式调整方法为边界条件的处理提供了可靠且高效的方法，支持碳捕获与封存（CCS）项目的早期筛选、许可和运营阶段，同时符合第六类许可的监管要求。
引言
为了缓解气候变化，地质碳储存（GCS）是一种关键策略，涉及将二氧化碳（CO2）安全地储存在深层地下地层中（Khan等人，2024年；Soltanian等人，2016年；Rezk和Ibrahim，2025年；Mon等人，2024年；R. Ramadhan等人，2024年；Tangparitkul等人，2025年）。确保注入的CO2的安全性和长期封存对全球的监管合规性至关重要。虽然各司法管辖区的监管框架有所不同，但它们都旨在保护环境和人类健康。在美国，环境保护署（EPA）制定了第六类许可要求，其中明确规定了保护地下饮用水源（USDW）的临界压力阈值（Hosseini等人，2024年；Wang等人，2025年）。欧盟的碳捕获与封存（CCS）指令及相关指南已被英国北海过渡管理局等司法管辖区采纳，强调通过类似的压力管理原则来保护地下水资源和确保封存（Raihan，2025年）。在亚太地区，监管方法侧重于保护天然气储备，并确保主要含水层系统（如澳大利亚的大自流盆地）的地下水可持续性（Ndehedehe等人，2025年）。即使在可能不涉及直接USDW问题的海上CCS场景中，压力管理和封存完整性证明仍然是重要的监管要求，以解决地质力学效应和密封完整性问题。
无论具体的监管框架如何，准确模拟地下压力传播和流体运动对于证明封存安全性至关重要，这在很大程度上取决于边界条件的正确实施（Yang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Economides和Ehlig-Economides，2009年）。这些条件决定了压力如何消散以及CO2羽流如何随时间演变（Smith等人，2011年；R. Ramadhan等人，2024年），直接影响各种司法管辖区所需的评估区域（AoR）或等效监测区的划定。尽管监管要求有所不同——有些提供了明确的临界压力阈值，而有些则需要特定地点的技术依据——但准确表示模型边界附近远场储层行为的基本挑战在全球范围内的CCS项目中都是普遍存在的。不准确或过于简化的边界表示会导致对羽流范围和压力积累的预测不足或过高，可能导致过于保守或不足的监测计划以及不符合监管要求（Ghomian等人，2024年；Bump等人，2023年；Leng等人，2024年）。
边界条件对于准确表示地下注入过程中CO2和压力的行为至关重要（Wang等人，2025年；Hosseini和Nicot，2012年；Indro和Okoroafor，2024年）。当前的建模工具提供了实施各种边界条件的综合框架，包括无流动和恒压边界条件，适用于许多简化或理想化的场景（Heath等人，2014年；Zhang等人，2012年；Chen等人，2019年）。尽管有标准的边界条件框架，但在应用于地质复杂系统时，许多当前的建模实践仍然存在不足（Zhang和Yin，2017年；Alsayah和Rigby，2025年；Delshad等人，2013年）。传统模型往往依赖于过于简化的假设（Rafieepour等人，2020年）。因此，基本的边界条件建模可能导致在模拟羽流迁移、压力积累和封存风险方面出现重大错误（Hales，2008年）。常用的一维（1D）数值含水层模型缺乏反映侧向压力消散和羽流变形所需的空间细节（Bundy和Hales；Wang等人，2024年）。像Carter-Tracy这样的解析含水层解决方案提供了具有物理意义参数（渗透率、孔隙度、压缩性、含水层几何形状）的成熟框架，可以从简单的单含水层表示扩展到多个空间变化的含水层分配，适用于详细的项目开发。与基于经验的修正因子相比，这些方法更容易向监管机构解释和证明（Ghomian等人，2024年；Zhang等人，2012年）。然而，对于非常大规模的模拟或需要数千次模拟运行的密集不确定性量化工作流程，解析含水层计算的计算成本可能会变得相当高。此外，在远场地质特征仍然不确定的情况下，或者当目标是独立于远场含水层行为的假设来隔离影响时，替代方法可能提供补充性的见解。这些考虑共同强调了需要一系列边界处理选项，以在不同项目阶段和建模目标之间平衡物理合理性、计算效率和数据要求。
关于储层建模中边界条件的先前研究对于CCS来说仍然有限，因为在地层建模中定义这些条件本质上很困难。2024年，Ghomian等人实施了一种调整边缘层孔隙体积（PV）和渗透率的方法，以与整个模型对齐。该研究使用了四层孔隙体积修正器（PVM）和渗透率修正器（TM），以使井底压力与整个模型的压力对齐（Ghomian等人，2024年）。Yang等人（2025年）的另一个研究则通过修改模型边界的单元长度以及相应的PV和渗透率调整来模拟开放边界，并准确表示构建区域之外的压力传播。他们的发现表明，将三层边界单元的长度分别延长100倍、300倍和500倍可以再现90公里细网格扩展的井底压力行为。然而，他们警告说，这种方法转换角点网格需要额外的预处理工作，并可能导致数值不稳定（Yang等人，2025年）。
开发更具物理代表性和效率的数值方法为改进边界条件建模提供了重要机会（Samii和Lotfi，2013年；Perina，2022年）。所提出的方法提供了一种实用的解决方案，可以在不增加人工体积或压力空间的情况下模拟复杂系统，该方法仅修改边缘层属性，同时保持地层孔隙体积。该方法通过结合渐进式渗透率过渡等特征，在计算效率和模型真实性之间架起了桥梁。
尽管如此，在实施先进的地质CO2储存边界条件模型时仍存在几个挑战（Dong等人，2025年）。当有足够的地质数据和计算资源时，应使用解析或数值含水层方法对周围含水层和区域边界进行显式建模，但这些方法通常伴随着显著的计算成本，使得它们不适用于某些大规模模拟或早期筛选工作流程（Chen和Liu，2023年；Soltanian等人，2019年；R. Ramadhan等人，2024年）。所有边界处理方法，包括解析含水层和基于修正器的方法，都需要对感兴趣区域之外的地质和储层属性有一定的了解，尽管具体的数据要求和实施复杂性各不相同。此外，边界行为的准确表示取决于详细的地质和储层特征描述，这在项目开发过程中通常是有限或不确定的（Soltanian等人，2016年；Soltanian等人，2019年；Cui等人，2024年；Cui等人，2025年）。即使有地质数据可用于超出感兴趣区域的外推，远场含水层属性的不确定性可能仍然很大，计算限制可能会影响快速敏感性研究、不确定性量化或迭代设计工作流程的显式边界表示的可行性。错误应用或过度简化边界条件可能导致预测不准确、AoR估计过高或过低，以及可能不符合监管要求（Rezk和Ibrahim，2025年；Wang等人，2025年；Yang等人，2025年）。这些挑战突显了开发既高效又可适应的边界条件实现方法的重要性，这些方法能够在不牺牲模型性能或监管适用性的情况下提供合理的远场压力消散表示。
本研究提出了一种边缘层修正器，该方法保持地层孔隙体积并实现平滑的渗透率过渡，作为一种计算效率高的方法来近似远场边界行为。仅调整外部单元属性就能在几百分比的误差范围内再现整个模型的压力行为，同时将网格大小减少高达80%。该方法在均质、非均质和全尺寸储层场景中得到了验证，并量化了误差和运行时间的改进，以及其对AoR估计的影响。本研究特别关注在开放含水层CO2储存系统的数值模拟中处理横向域边界条件的问题，其中压力水平传播到主动模拟区域之外的周围地层。重点在于改进模型域水平边界处的远场侧向流动和压力传播的表示，这对于在侧向扩展的咸水层中的储存尤为重要，因为在这些情况下，为了计算可行性，需要截断模型域。虽然地下建模中的边界条件可以包括各种过程，如垂直密封边界、地下水补给和排放、与地表水体的相互作用以及地质力学效应，但我们的方法解决了开放系统中在模型横向范围限制处表示压力和流体行为的特定挑战。这种方法适用于压力从注入点横向传播相当距离的储存场景，与结构封闭的储层不同，在后者中，远场横向范围对模拟精度的重要性较低。
部分摘录
数值模型描述
为了评估边界条件对地质CO2储存中AoR的效率，构建了多个储层模型，以确定确定AoR的最合适建模方法。根据EPA指南，AoR是通过在注入和注入后的每个时间步骤中划定两个模拟指标的空间范围，并采用较大的范围作为AoR边界来评估的。CO2羽流是使用气体饱和度标准绘制的，定义为所有
均质储层
在本研究中，均质模型场景作为一个受控测试案例，其中岩石和流体属性在整个储层中是均匀的。这种均匀性消除了地质异质性的影响，使得可以直接评估不同边界条件实现对预测AoR的影响。真实情况（案例01）对应于501 × 501网格，而其他案例使用较小的101 × 101网格，并结合了不同的PVM和TM调整组合。
结论
本研究评估了渐进式PVM和TM调整方法在地质CO2储存模型中边界条件实现的表现。结果表明，与传统均匀修正器方法相比，这种方法提供了更具代表性的远场边界行为预测，保持了计算效率，并为监管合规性和项目运营提供了实际效益。渐进式PVM和TM调整方法成功地
CRediT作者贡献声明
Romal Ramadhan：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。Seyyed A. Hosseini：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查、资金获取、概念化。
